Les principes de conversion d’énergie éolienne

De nos jours, l’énergie électrique est un élément incontournable dans la vie des sociétés et des entreprises. La plupart des communes à Madagascar connaissent un problème énergétique aigu dû à l’insuffisance des sources conventionnelles d’énergies. Or, un pays ne sera pas développé s’il ne possède pas d’une grande source d’énergie qui peut répondre constamment aux besoins des clients. L’éolienne est une énergie « renouvelable » la plus fiable et la plus efficace et permet une production énergétique décentralisée sans pollution, sans émission de gaz à effet de serre.

Parmi toutes les énergies renouvelables contribuant à la production d’électricité, l’énergie éolienne tient actuellement le rôle de vedette avec un potentiel mondial environ de 30.10¹⁵ kWh/an. Elle est l’une des plus prometteuses, en termes d’écologie, de compétitivité, de champ d’application et de création d’emplois et de richesses.

HISTORIQUE DE L’ENERGIE EOLIENNE 

Parmi toutes les énergies renouvelables, à part l’énergie du bois, c’est l’énergie du vent qui a été exploitée en premier par l’homme. Depuis l’antiquité, elle fut utilisée pour la propulsion des navires et ensuite les moulins à blé et les constructions permettant le pompage d’eau. Les premières utilisations connues de l’énergie éolienne remontent à 2 000 ans avant J.C environ. Hammourabi, fondateur de la puissance de Babylone, avait conçu tout un projet d’irrigation de la Mésopotamie utilisant la puissance du vent. La première description écrite de l’utilisation des moulins à vent en Inde date d’environ 400 ans avant J.-C. En Europe, les premiers moulins à vent ont fait leur apparition au début du Moyen Age. Utilisés tout d’abord pour moudre le grain, d’où leur nom de « moulins », ils furent aussi utilisés aux Pays Bas pour assécher des lacs ou des terrains inondés. Dès le XIV siècle, les moulins à vent sont visibles partout en Europe et deviennent la principale source d’énergie. Seulement en Hollande et Danemark, vers le milieu du XIXème siècle, le nombre des moulins est estimé respectivement à plus de 30 000 et dans toute l’Europe à 200000. A l’arrivée de la machine à vapeur, les moulins à vent commencent leur disparition progressive. L’arrivée de l’électricité donne l’idée à Poule La Cour en 1891 d’associer à une turbine éolienne une génératrice. Ainsi, l’énergie en provenance du vent a pût être « redécouverte » et de nouveau utilisée (dans les années 40 au Danemark 1300 éoliennes). Au début du siècle dernier, les aérogénérateurs ont fait une apparition massive (6 millions de pièces fabriquées) aux Etats-Unis où ils étaient le seul moyen d’obtenir de l’énergie électrique dans les campagnes isolées. Dans les années 60, fonctionnait dans le monde environ 1 million d’aérogénérateurs. La crise pétrolière de 1973 a relancé de nouveau la recherche et les réalisations éoliennes dans le monde.

Définition d’une éolienne

Un aérogénérateur, ou proprement dit une éolienne, est un dispositif qui transforme une partie de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique disponible sur un arbre de transmission, puis en énergie électrique par l’intermédiaire d’une génératrice.

C’est une énergie plus respectueuse de l’environnement que les combustibles fossiles ou l’énergie nucléaire, car elle cause moins de pollution. Les installations peuvent être réalisées sur terre, mais également de plus en plus en mer (fermes éoliennes offshore) où la présence du vent est plus régulière. On distingue trois catégories d’éoliennes selon leur puissance nominale à savoir :
➤ Eoliennes de petite puissance : inférieure à 40 kW
➤ Eoliennes de moyenne puissance : de 40 à quelques centaines de kW.
➤ Eoliennes de forte puissance : supérieure à 1 MW.

Descriptif d’une éolienne 

Une éolienne est constituée par une tour au sommet de laquelle se trouve la nacelle. Etant donné que la vitesse du vent augmente lorsque l’on s’éloigne du sol, une tour peut mesurer entre 50 et 80 m de haut .Typiquement, une éolienne de 1MW a une hauteur de 80 mètres de haut, ce qui correspond à la hauteur d’un immeuble de 32 étages. La tour a la forme d’un tronc en cône où, à l’intérieur, sont disposés les câbles de transport de l’énergie électrique, les éléments de contrôle, les appareillages de connexion aux réseaux de distribution ainsi que l’échelle d’accès à la nacelle. La nacelle regroupe tout le système de transformation de l’énergie éolienne en énergie électrique et divers actionneurs de commande.

Principales composantes d’une éolienne

En général, une éolienne classique est constituée trois principaux éléments :

Le mât
Le mât est fabriqué par un tube d’acier ou par un treillis métallique. Il doit être le plus haut possible pour éviter les perturbations près du sol. Toutefois, la quantité de matière mise en œuvre représente un coût non négligeable et le poids doit être limité. Un compromis consiste généralement à prendre un mât de taille très légèrement supérieure au diamètre du rotor de l’aérogénérateur.

La nacelle
Elle regroupe tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien au générateur électrique : arbres lents et rapides, roulements, multiplicateur, le frein à disque, diffèrent du frein aérodynamique, et qui permet d’arrêter le système en cas de surcharge, le générateur qui est généralement une machine synchrone ou asynchrone et les systèmes hydrauliques ou électriques d’orientation des pales (frein aérodynamique) et de la nacelle (nécessaire pour garder la surface balayée par l’aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent).

Le rotor
Le rotor convertit l’énergie du vent en énergie mécanique par l’entraînement de son arbre. Il peut être 1 à 3 pales, le rotor tripale étant de loin le plus répandu car il représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire, la pollution visuelle et le bruit. Selon les caractéristiques de leur vitesse, le rotor est classé en deux types : D’une part, les rotors à vitesse fixe sont les premiers à avoir été développés. Ils sont souvent utilisés une génératrice asynchrone à cage d’écureuil connectée directement au réseau . D’autre part, les rotors à vitesse variable sont basés sur la machine asynchrone à double alimentation. Ils sont souvent moins coûteux car le dispositif d’orientation des pales est simplifié.